A água é vital para a vida na Terra e sua importância simplesmente não pode ser exagerada - também está profundamente enraizada em nossa consciência de que há algo extremamente especial nela. Ainda, do ponto de vista científico, muito permanece desconhecido sobre a água e suas muitas fases sólidas, que apresentam uma infinidade de propriedades incomuns e as chamadas anomalias que, embora central para a importância química e biológica da água, são frequentemente vistos como controversos.

Isso inspirou pesquisadores da University College London e da Oxford University a buscar uma melhor compreensão da água e do gelo como materiais, que tem um impacto de longo alcance em muitas áreas de pesquisa. Em um artigo em The Journal of Chemical Physics , eles relatam seu trabalho no ordenamento do hidrogênio da fase desordenada do gelo VI em relação ao seu equivalente ordenado do gelo XV.

"Sempre que a água líquida congela, apenas seus átomos de oxigênio realmente acabam em posições fixas, "explicou Christoph G. Salzmann, professor associado e pesquisador da Royal Society, Departamento de Química, University College London. “Os átomos de hidrogênio permanecem desordenados - então chamamos essas fases do gelo de 'hidrogênio desordenado'. Após o resfriamento, espera-se que os átomos de hidrogênio se tornem ordenados e resultem em gelos ordenados por hidrogênio. Ainda, este processo é difícil porque as reorientações das moléculas de água ligadas por hidrogênio são altamente cooperativas. "

Para ajudar a explicar o conceito, ele usou um jogo de peças como analogia.

"Mover da desordem para a ordem é um trabalho difícil porque os ladrilhos não podem se mover de forma independente - semelhante à situação no gelo, "disse ele." Mas, alguns anos atrás, descobrimos que adicionar uma pequena quantidade de ácido clorídrico ajuda drasticamente a obter a ordem do hidrogênio em baixas temperaturas. "

O ácido clorídrico é o "ingrediente mágico" que acelera as reorientações das moléculas de água.

Gelo VI e gelo XV são fases de alta pressão do gelo que se formam por volta de 10, 000 atmosferas. "A estrutura do gelo XV tem sido o tema de discussões científicas intensas há anos, "Salzmann disse." Uma variedade de diferentes e, em parte, modelos conflitantes foram sugeridos a partir de dados experimentais, incluindo um estudo anterior de nosso grupo, bem como estudos computacionais. "

Para este trabalho, os pesquisadores recorreram à difração de nêutrons para analisar a estrutura do gelo XV e sua formação a partir do gelo VI. "Usar nêutrons é importante porque os raios X são essencialmente 'cegos' para os átomos de hidrogênio, "Disse Salzmann." Para resolver completamente a estrutura do gelo XV, realmente precisamos saber onde os átomos de hidrogênio estão localizados - nêutrons são essenciais. "

O trabalho do grupo representa uma grande mudança na compreensão do gelo XV, que consolida muito de seus trabalhos anteriores. "Primeiro, mostramos usando difração de nêutrons no Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia do ISIS no Reino Unido que o gelo encolhe em duas direções, mas se expande no terceiro durante a transição do gelo VI para XV, "ele explicou." Usando cálculos da teoria funcional da densidade, podemos mostrar que apenas um modelo estrutural particular de gelo XV é consistente com essas mudanças. "

Aliás, esta estrutura é também aquela que o grupo propôs a partir de sua análise aprofundada dos dados de nêutrons.

"Essa concordância entre experimento e cálculos é ótima, em particular, porque tem havido visões conflitantes sobre o gelo XV, ", acrescentou." O volume geral do gelo aumenta durante a transição de fase, o que finalmente explica por que a transição é observada mais prontamente à pressão ambiente do que a pressões mais altas - comportamento que nos intrigou por muito tempo. "

Outro ponto chave, apresentado em seu artigo, é um novo programa de computador chamado "RandomIce, "que produziu a melhor descrição estrutural do gelo XV até hoje." Apresentamos a preparação do gelo XV mais ordenado até hoje, mas não alcançamos um estado completamente ordenado, "Salzmann disse.

RandomIce permite a preparação de modelos moleculares em grande escala, que o grupo chama de "supercélulas". Estes são consistentes com a estrutura média obtida a partir dos dados de difração, e essencialmente RandomIce está "jogando" o jogo de peças descrito anteriormente até que o melhor acordo com os dados de difração seja alcançado. "Para fazer isso, mais de 100 milhões de 'movimentos de ladrilhos' foram necessários, "Salzmann apontou.

O trabalho do grupo abre a porta para o desenvolvimento de modelos computadorizados de água mais precisos que podem beneficiar uma ampla gama de disciplinas - da biologia e química à geologia e ciências atmosféricas.

Avançar, agora é possível "esclarecer em que forma de gelo deve ocorrer sob certas condições de pressão e temperatura dentro de luas e planetas gelados, "Salzmann disse.

O que vem a seguir para os pesquisadores?

"Ainda há uma questão em aberto sobre por que não podemos atingir a ordem completa no gelo XV, "Salzmann disse." Já começamos um novo trabalho experimental para explorar como as propriedades do gelo mudam dentro dos nanoconfinamentos e da presença de espécies químicas - porque estamos interessados ​​em entender o comportamento complexo do gelo nos cometas e em nossa atmosfera. "